双涂层再生混凝土集料在温拌沥青混合料中的应用研究

时间：2024-09-03

郑康瑜

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西晋中 030600）

1 引言

当前国内建筑与交通行业发展迅速，原有水泥混凝土结构的大修、改建产生大量废弃混凝土，不但浪费了大量资源，而且对环境造成了巨大压力[1]。在倡导可持续发展的今天，关于再生混凝土骨料应用于沥青路面的研究具有较高的工程价值和环保意义[2]。国外对再生混凝土集料（Recycled Concrete Aggregate，RCA）的研究积累了一些实践经验[3]。我国在建筑废弃物再生方面的研究和探索相对于发达国家要滞后一些，对RCA的研究工作起步较晚。最初通过引进国外的生产工艺进行简单的改进，目前取得的部分成果主要集中在水泥混凝土领域，对于RCA 应用于沥青混凝土路面的研究较少[4]。

研究发现，附着在RCA 表面的水泥砂浆使得RCA的密度降低，吸水率提高。在这种情况下，使用RCA制备的混合料与使用天然集料制备的混合料相比，表现出性能不足的缺点[4，5]。因此，国内外学者采用不同的处理方法来提高RCA 沥青混合料的性能。刘军等[6]采用无机预处理法处理村镇建筑垃圾，处理后的再生粗骨料吸水率和压碎值都比未处理的小。罗素蓉等[7]采用预湿法、净浆裹石法和掺硅灰净浆裹石法对再生粗骨料进行预处理，发现经过处理后的再生混凝土的徐变显著降低。Eisa[8]将沥青乳液涂覆在RCA 上以提高RCA 沥青混合料的抗剥落性能，混合料的抗剥落性能得到了显著增强。王知乐等[9]利用发泡沥青温拌技术将回收的废弃水泥混凝土集料配制成温拌沥青混合料，研究了再生混凝土集料温拌沥青混合料的路用性能。余海玲等[10]采用氢氧化钙溶液对再生粗骨料进行预处理，发现经过处理后的再生粗骨料吸水率和压碎值分别降低12.7%、15.9%。

为了提高RCA 在温拌沥青混凝土中的利用率，改善RCA 温拌沥青混合料的性能，采用国外新研发的双涂层处理技术（Double Coating Treatment，DCT），并对RCA处理得到DCRCA，对不同掺量（集料的20%、40%、60%）的DCRCA的温拌沥青混合料进行了马歇尔试验、间接拉伸强度、冻融劈裂强度比和间接抗拉劲度模量试验，比较了不同DCRCA 材料掺量下的温拌再生混合料的性能。DCT技术可以使RCA温拌沥青混合料达到更好的性能。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.1.1 天然集料和再生集料

天然集料选用花岗岩；RCA 选自某公路铣刨下来的水泥混凝土集料。天然集料基本性质见表1，再生混凝土集料基本性质见表2。

表1 天然集料基本性质

表2 再生混凝土集料基本性质

由表1、表2 可知，与天然集料相比，再生粗集料密度较低，吸水率高，并且再生粗集料的洛杉矶磨耗值和吸水率不符合规范要求。产生这种现象的原因主要是由于RCA集料表面粘附了大量的水泥砂浆，导致再生粗集料密度降低，且废弃混凝土在机械破碎过程中因碰撞产生了大量微裂缝，再生混凝土集料吸水率提高[11，12]。若将RCA 细集料用于温拌沥青混合料制备，会增大混合料中沥青含量，因此仅使用RCA 粗集料（＞4.75mm）取代部分花岗岩集料。

2.1.2 西卡沥青乳液（Sika Tite-BE）

DCT 中采用Sika Tite-BE 添加剂，是双涂层和加热两种处理技术的结合。Sika Tite-BE是由西卡澳大利亚公司提供的一种由丙烯酸乳胶聚合物改性过的水基沥青乳液，可作防水膜、密封剂、防护涂层或粘结剂等用途[13]。当温度高于100℃，涂覆料中的水分会快速挥发，因此对沥青混合料水稳性能不会造成影响。Sika Tite-BE在使用中应至少涂覆两层，Sika Tite-BE 与水的比例为2：1。第一层采用RCA 质量为5%的涂覆料，将涂覆料和RCA拌和约2min形成底涂层；第二层采用RCA质量为3.5%涂覆料。第一层完成后约3h～4h 后开始第二次涂覆。为促进水分蒸发，双涂层完成后，将涂覆有Sika Tite-BE的RCA放在通风良好的地方。涂料Sika Tite-BE的物理和化学性质见表3。在此过程中，涂覆料发生了破乳作用，其闪点和沸点升高，后续混合料拌和过程中不会发生危险。

表3 Sika Tite-BE的理化性质

为了评估涂层的质量，用显微镜观察涂层骨料。从图1 可以看出，虽然涂层覆盖率很高，但仍然出现了一些没有涂层的区域，且涂层厚度是不均匀的。在未涂层的区域，水会在骨料和结合料之间自由流动，从而影响沥青混合料的耐久性。为了消除这一弊端，研究人员将涂覆有Sika Tite-BE的RCA混合料放在155℃烘箱中加热1.5h。加热期间，沥青的粘稠度较低，可以流过RCA表面未被涂覆的区域，有助于增强DCRCA和沥青之间的亲和力。

图1 涂覆Sika Tite-BE的RCA

2.1.3 配合比设计

本次级配设计过程中，根据天然集料和不同DCRCA掺量下集料的筛分结果确定了不同类型混合料的合成级配，如图2所示。

图2 不同DCRCA掺量下沥青混合料的合成级配

2.2 试验方法

2.2.1 温拌沥青混合料配合比设计

试验采用AC-13制备温拌沥青混合料。其中RCA掺量选择40%；DCRCA 掺量选择20%、40%和60%；100%天然集料温拌沥青混合料作为对照组。

2.2.2 间接拉伸强度试验

RCA掺量选择40%；DCRCA掺量选择20%、40%和60%；100%天然集料温拌沥青混合料作为对照组，制备五种不同集料类型的沥青混合料。相同集料类型的沥青混合料制备两种不同空隙率和一种不同温度共三种沥青混合料。前两种混合料分别采用5%±0.5%和8%±0.5%的空隙率，试验温度25℃，测试空隙率对温拌沥青混合料间接拉伸强度的影响。最后一种混合料采用5%±0.5%的空隙率，试验温度40℃，测试温度对混合料间接拉伸强度的影响。间接拉伸强度试验按照ASTM D6931（ASTM 2017）试验方法进行，以50mm/min的速率加载，采用公式（1）计算。

式中，TS为拉伸强度，kPa；P为试验荷载的最大值，kN；H为试件高度，mm；D为试件直径，mm。

2.2.3 冻融劈裂抗拉强度比试验

采用T 0729-2000 对温拌沥青混合料的抗水损害能力进行了评价。RCA 掺量选择40%；DCRCA 掺量选择20%、40%和60%；100%天然集料温拌沥青混合料作为对照组。每种试样各制备6个平行试件。

2.2.4 间接抗拉劲度模量试验

按照澳大利亚标准AS 2891.13.1 对混合料试件进行间接抗拉劲度模量试验。RCA 掺量选择40%；DCRCA掺量选择20%、40%和60%；100%天然集料温拌沥青混合料作为对照组。温拌沥青混合料试件的空隙率为5%±0.5%，所有试样用旋转压实的方法成型。极限劲度模量采用公式（3）计算。

式中，E 为极限劲度模量，MPa；P 为试验荷载的最大值，N；μ 为泊松比；h 为试件高度，mm；X 为最大破坏荷载时水平方向的总变形，mm。

3 试验结果与分析

3.1 涂覆Sika Tite-BE的RCA性质

涂覆Sika Tite-BE的RCA物理性质见表4。

表4 涂覆Sika Tite-BE的RCA物理性质

由表4 可知，经Sika Tite-BE 处理的RCA 的压碎值和吸水率分别降低了10.2%和23.2%。这是由于涂覆在RCA 表面的Sika Tite-BE 封闭RCA 表面的大部分孔隙和裂缝，从而增强了RCA的强度，提高了其耐久性。经过处理的RCA 压碎值和吸水率满足需求，可以用作再生粗集料加入到沥青混合料中。

3.2 马歇尔试验结果

通过马歇尔击实试验成型试件，测得成型后试件的稳定度、流值、毛体积密度、矿料间隙率、沥青饱和度和最佳沥青含量，试验结果如图3所示。

图3 温拌沥青混合料的马歇尔试验参数

由图3 可知，DCRCA 温拌沥青混合料同对照组和RCA温拌沥青混合料相比，马歇尔稳定度更大，这是由于DCRCA 与沥青粘附性更大。同对照组相比，40%和60%DCRCA 混合料毛体积密度较低，这是由于DCRCA的密度较低。流值随着DCRCA 在混合料中掺量的增加而增加，这是由于随着再生集料掺量的增加，混合料中沥青含量也增加。

3.3 间接拉伸强度试验结果

混合料的间接拉伸强度（ITS）试验结果如图4所示。

图4 ITS试验结果

由图4可知，混合料的间接抗拉强度对空隙率和试验温度的变化具有较高的敏感性。空隙率或温度的增加都会降低DCRCA 温拌沥青混合料的抗拉强度。这是因为温度较高，沥青的粘度降低，从而导致沥青与集料之间的粘附性较低。此外，较大的空隙率会增大集料颗粒之间的间隙，减小了混合料结构的内摩擦力。针对不同的DCRCA，可以得到在DCRCA掺量为40%时ITS 最大，超过这一掺量之后，DCRCA 温拌沥青混合料的ITS 值呈下降趋势。此外，在不同温度或空隙率条件下，40%DCRCA混合料的ITS值均高于100%天然集料和40%RCA混合料。试验结果表明，再生混凝土集料与沥青之间的粘附性经过涂层和加热处理后得到改善。

3.4 TSR试验结果

温拌沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比（TSR）试验结果如图5所示。

图5 TSR试验结果

由图5可知，与对照组相比，RCA和DCRCA温拌沥青混合料冻融循环前的强度（TSD）都有所增加，但是TSR 显著降低，表明无论掺加是否处理过的再生骨料，沥青混合料的水稳定性都有所降低。40%DCRCA温拌沥青混合料比40%RCA温拌沥青混合料在冻融循环前后都具有更好的间接拉伸强度，双涂层处理技术可以显著增加再生骨料沥青混合料的水稳定性。DCRCA掺量为40%时，DCRCA混合料的TSD、TSW和TSR都达到峰值，此后，不论DCRCA 掺量的增加还是减少，TSD、TSW和TSR都会降低。

3.5 间接抗拉劲度模量试验结果

测试了25℃和40℃下温拌沥青混合料的劲度模量，试验结果见表5。

表5 温拌沥青混合料的劲度模量

在两种温度下，RCA 混合料的劲度模量与对照组相比大致相同，表明RCA 掺量为40%时，对劲度模量影响较小。当DCRCA 掺量为20%和40%，与对照组相比，混合料的劲度模量增加5%和9%，且在掺量为40%时劲度模量达到最大值。这是由于Sika Tite-BE 涂层提高了RCA 的耐久性和强度。当DCRCA 掺量为60%时，混合料的劲度模量呈下降趋势，表明随着混合料中再生集料掺量增大，Sika Tite-BE 并不能改善掺入再生骨料而导致混合料劲度模量降低的现状。此外，在155℃烘箱中加热期间，沥青的粘度较低，可以将RCA表面未涂覆的区域覆盖，改善了再生集料和沥青之间的粘附性。